2015-08-15
Персональный сайт Вячеслава Горчилина
Все статьи
Трансформатор бегущей волны

Сам принцип родился из нашумевшего на энергетических форумах «волнового резонанса», получение которого представляет определённые трудности из-за одновременного выполнения нескольких условий. Например, необходимо получить почти идеальное отражение волны от обоих концов длинной линии при том, что полученный между ними максимум тока или напряжения должен перемещаться вдоль этой линии с заданной скоростью. Кроме этого, одновременно с описываемыми процессами предполагается получение и LC-резонанса.

Предлагаемая идея сильно упрощает первую и главную задачу: получение и передвижение максимума тока или напряжения вдоль длинной линии. Фактически, мы должны перераспределить электроны вторичной обмотки трансформатора по её длине, смещая их максимум на один из концов вторичной катушки, получая там, таким образом, пучность тока (напряжения).

В этой серии заметок автор не будет затрагивать вопросы конструктивного исполнения и конкретной реализации устройства, а лишь делится со своими читателями идеями и возможными путями их воплощения. Тем не менее, некоторые ключевые моменты конструкции будут здесь описаны.

Идея о трансформаторе

Ток и напряжение во вторичной обмотке обычного трансформатора можно описать функцией от времени:

I_{2},U_{2} \sim f(t)
Идея получения трансформатора бегущей волны (TTW) заключается в преобразованиии функции от времени в пространственно-временную функцию:
I_{2},U_{2} \sim f(t, x),
где: x — поперечная координата трансформатора (направление магнитного потока). Это похоже на то, как поступает телевизор с принимаемым TV-сигналом — разворачивает его в пространстве и времени. Так же описывается и функция бегущей волны, к которой мы и должны максимально приблизиться, а в идеале — и к одновременному с ней LC-резонансу. Поэтому в реальной конструкции первичные обмотки трансформатора I .. VIII должны быть разнесены между собой в пространстве. Обычно, принципиальная электрическая схема никак не связана с конструкцией устройства, но в данном случае она указывает на некоторые конструктивные особенности TTW.

Схема подключения трансформатора бегущей волны
Примечание. Изображенный на схеме способ возбуждения первичных обмоток далеко не единственный

На принципиальной схеме изображены восемь первичных катушек, но согласно расчетам, в общем случае, их может быть три или более. Общая формула для нахождения эффективности TTW, а точнее — увеличения КПД второго рода \eta_{2}, такая:

K = \frac {N^{2} + N + 2} {4N},
где: K — увеличение \eta_{2}, раз; N — число первичных обмоток (итераций). О самом \eta_{2} читайте здесь.

Как видно из формулы, если число первичных обмоток будет одна или две, то никакого увеличения \eta_{2} мы не получим. Эффективность установки может проявиться только начиная с N = 3, но, учитывая привычный нам КПД, который в преобразователях подобного типа может быть достигать 75%, в реальном устройстве минимальное число первичных катушек должно быть не менее четырёх.

Автор предлагает начать с N = 8, когда эффект от TTW будет явно проявлен. Для этого нужно будет намотать восемь независимых и расположенных рядом катушек, которые должны затем вставляться внутрь (или надеваться поверх) одной вторичной катушки. Это и будет наш TTW.

Вообще говоря, расположение и намотка катушек TTW — это ещё одна отдельная тема для разработки. Конструкция трансформатора может быть разной: от плоской, до торроидальной. Также, вторичная катушка может использовать свойства сердечника, — наматываться и располагаться, как девятая катушка, в один ряд с остальными.

Возбуждать первичные обмотки будем одиночными импульсами последовательно по-очереди: от I-ой до VIII-й (см. схему). На вторичной обмотке мы должны будем получить максимальное напряжение, которое будет зависеть от длительности импульсов в первичных обмотках, их индуктивностей, ёмкости Cр и сопротивления нагрузки Rн.

Возбуждение первичных обмоток TTW

Возбуждать катушки первичных обмоток можно разными способами, ниже — приведём один из них. Эта схема состоит из трёх цифровых микросхем высокоскоростной серии 74HCXX, одного стабилизатора напряжения и восьми выходных транзисторов.

Схема возбуждения трансформатора бегущей волны

Список элементов схемы и их замены (в скобках):

  • DD1 — 74HC00 (1564ЛА3)
  • DD2 — 74HC393 (1564ИЕ19)
  • DD3 — 74HC164 (1564ИР8)
  • DA1 — LM7805 (КР142ЕН5А)
  • VD1..VD4 — 1N4148 (любой маломощный ультрафаст)
  • SA1 — DS-04B, SWD1-4 (любой DIP-переключатель на 4 секции)
  • SA2 — DS-02B, SWD1-2 (любой DIP-переключатель на 2 секции)
  • VT1..VT8 — 2SC4793 (быстродействующий, с крутыми фронтами, малой ёмкостью, напряжением коллектор-эмиттер более 200 V и коэффициентом усиления по току не менее 100).

Работа схемы

Сдвиговый регистр DD3 вместе в генератором DD1.1-DD1.2 формирует последовательную серию импульсов, которые управляют выходными транзисторами VT1-VT8. В зависимости от положения переключателя SA1 меняется длительность импульсов бегущей волны, а также — её скважность. Это становится возможным при помощи различных комбинаций двоичного кода с выхода счётчика DD2, которые через диоды VD1-VD4 и переключатель SA1 задают эти параметры. Два верхних контакта SA1 определяет длительность импульса волны (от 1-го до 3-х тактовых периодов), два нижних — промежуток между этими импульсами. Если все контакты этого переключателя разомкнуты, то после завершения последней волны все выходные транзисторы корректно отключатся.

Переключателем SA2 меняется частотный диапазон работы задающего генератора.

Замечания по монтажу

На схеме не показаны выводы питания микросхем. Они стандартные: 7 — минус питания (общий), 14 — плюс. Все минусы нужно соединить и подключить к общему проводу и к Gnd стабилизатора DA1. Все плюсовые выводы — к его Out (или +5V).

Улучшенный выходной каскад

Более совершенная схема выходных каскадов раскачки собирается на драйверах выходного сигнала TC4420 (DA1-DA8) и ключах на MOSFET-ах (VT1-VT8). Транзисторы для ключей нужно выбирать по следующим параметрам: Схема подключения выходных каскадов время нарастания и спада сигнала — не более 100 ns, выходная ёмкость — не более 600 pF, максимальное напряжение сток-исток — более 400 V. Очень хорошо в таких схемах работают MOSFET-ы IRFP460, IRFP840.

Выводы питания драйверов последовательно шунтируются ёмкостями в 100 nF, а на входе питания — дополнительно — 10 мкФ.

Общее питание схемы нужно будет снизить с 24 до 15..18V — согласно паспортным данным драйвера TC4420.

Настройка схемы с TTW

Схема возбуждения настройки не требует, а вот её совместная работа с TTW потребует кропотливой работы и творческого подхода. Здесь автор может высказать лишь свои соображения, а получение всех возможных эффектов (в том числе и СЕ) будет зависеть только от вас, дорогие читатели.

Главной особенностью работы нашего трансформатора является получение бегущей волны вдоль вторичной катушки, причём её скорость должна соответствовать скорости распостранения электромагнитной волны (магнитного потока). Эта скорость, а значит и частота переключения выходных транзисторов будет максимальной, если TTW будет воздушным. Для такого трансформатора нужно применять более высокоскоростные схемы возбуждения — на 100 МГц и более.

Сердечник замедляет этот процесс, причём, чем выш его проницаемость, тем больше. Скорость распостранения волны в феррите 2000НМ — 5-10 нс/см, а железе — порядка микросекунды/см, что уже подходит для приведенной выше схемы. С различными типами сердечника возможно получение новых свойств этого трансформатора.

Вторая особенность, которая открывает новые возможности, — получение LC-резонанса вторичной обмотки TTW и Cр. При выполнении всех этих условий возможно получение интересных эффектов, недостижимых в экспериментах с обычным трансформатором.


Горчилин Вячеслав, 2015 г.
* Перепечатка статьи возможна с условием установки ссылки на этот сайт и соблюдением авторских прав

« Назад
2009-2017 © Vyacheslav Gorchilin